礦井提升鋼絲繩撚向選擇探析

發布時間：

2023-08-25

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提升鋼絲繩是礦井提升系統的重要組成部分，對提升系統的安全經濟運行起著極為重要的作用，在礦井整個服務年限中，是需要經常更換的易損件。無論從安全生產還是從經濟運行上考慮，都必須對鋼絲繩的選擇高度重視。鋼絲繩本身的質量固然重要，但如果鋼絲繩選用不當，將會造成鋼絲繩使用壽命的縮短，甚至導致安全事故。當前，不同文獻或資料對礦井提升鋼絲繩的撚向選擇有著不同的表述，國內鋼絲繩生產廠家提供的使用說明和文獻 [1]提出，單繩纏繞式提升鋼絲繩的撚向選擇應與卷筒螺旋槽的方向相反；而文獻 [2] 和文獻 [3] 提出，在我國，對單繩纏繞式提升機鋼絲繩的選用原則，一般是鋼絲繩的撚向應與繩在卷筒上纏繞的螺旋線方向一致，目的是為了防止纏繞時鋼絲繩松撚。針對上述 2 種相反的觀點，筆者將重點分析探討提升過程中鋼絲繩松、緊撚情況，並對鋼絲繩撚向選擇提出參考建議。

1 礦井提升鋼絲繩撚向分類及特點

提升鋼絲繩按絲在股中和股在繩中撚向關系可以分為同向撚和交互撚，絲在股中和股在繩中撚向相同時稱為同向撚，絲在股中和股在繩中撚向相反時稱為交互撚，共有右同向撚、右交互撚、左同向撚和左交互撚 4 種類型。

同向撚鋼絲繩具有如下特點：

(1) 表面光滑、柔性好和耐疲勞，與卷筒、天輪接觸面積大，磨損均勻，彎曲應力小，使用壽命長，斷絲後斷絲頭翹起易被發現；

(2) 由於股內鋼絲的扭轉力矩與鋼絲繩的扭轉力矩方向相同，旋轉性較大，散股趨向也大，穩定性較差，使用中容易產生扭結。

交互撚鋼絲繩受到載荷拉伸時，會產生與繩股編撚方向相反的轉動，而繩中的鋼絲與繩股的撚向相反，可以在繩內產生一阻止轉動的力矩。所以，交互撚鋼絲繩不旋轉性能較同向撚鋼絲繩好，結構比較穩定，在使用中不易產生扭結現象。

2 礦井提升鋼絲繩撚向選擇

2.1 立井單繩單層纏繞時礦井提升鋼絲繩撚向選擇

2.1.1 整繩分析鋼絲繩的旋轉情況

鋼絲繩在撚制時，繩股圍繞繩芯旋轉，當鋼絲繩受到拉力後，繩股因被拉而向與撚向相反方向旋轉。但由於礦井提升鋼絲繩一端固定於卷筒，經過天輪的另一端連接於提升容器，在提升過程中，提升容器是不允許旋轉的，這相當於鋼絲繩兩端都是固定的，所以鋼絲繩整體上是不會逆轉的，即宏觀上不松撚也不緊撚。

2.1.2 分段分析卷筒螺旋槽引起的鋼絲繩旋轉情況

為進一步討論卷筒螺旋繩槽對鋼絲繩旋轉的影響，首先對鋼絲繩在卷筒上的纏繞過程進行分析。設卷筒襯墊上的螺旋繩槽與卷筒圓周方向的夾角為 β，如圖 1 所示，依據《煤礦安全規程》，按卷筒直徑是鋼絲繩直徑的 80 倍，螺旋間距為鋼絲繩直徑的 1.1 倍進行計算，即式 (1) 成立

從圖 1 中可以看出，當鋼絲繩在卷筒上纏繞時，鋼絲繩相對天輪的最大內、外偏角為 α1、α2。根據《煤礦安全規程》要求，天輪到卷筒上的鋼絲繩的最大內、外偏角都不得超過 1°30′。由此可知，鋼絲繩在最大內、外偏角時相對於卷筒繩槽的偏角分別為 α1+ β = 1°45′和 α2 - β = 1°15′。

由此可見，鋼絲繩和繩槽方向並不重合。以下以固定卷筒 (上出繩) 為分析對象，卷筒螺旋槽為右旋，右同向撚鋼絲繩，假定從車房操控臺面向井架方向觀察為例進行分析。當提升鋼絲繩處於外偏角，固定卷筒 (上出繩) 側上提時，鋼絲繩首先與螺旋繩槽的左邊緣相遇接觸，如圖 2 所示。在繞進繩槽的過程中，由於受到左邊緣的抵抗力，使鋼絲繩繞自身軸線順時針旋轉。同時在天輪處，鋼絲繩與天輪繩槽的右邊緣脫離，天輪繩槽右側作用也使鋼絲繩繞自身軸線順時針旋轉。這樣，將使得繞在卷筒上的鋼絲繩出現緊撚，而卷筒以外未纏繞鋼絲繩將發生松撚。

同理，可以得出如下結論：即無論是固定卷筒還是遊動卷筒在上提或下放時，卷筒以外的未纏繞鋼絲繩均為從停車位置的正常狀態，到上提前半程鋼絲繩處於外偏角或下放前半程鋼絲繩處於內偏角時纏繞，導致卷筒以外未纏繞鋼絲繩松撚，到鋼絲繩處於卷筒中間位置時的既不緊撚也不松撚，再到上提後半程鋼絲繩處於內偏角或下放後半程鋼絲繩處於外偏角時纏繞導致卷筒以外未纏繞鋼絲繩緊撚，使前半程的松撚恢復到正常狀態。為驗證以上分析，筆者分別選擇了兩家煤礦的副井提升機對上述情況進行了試驗和觀察，結果表明，上述分析得出的結論是正確的。

鋼絲繩松撚和緊撚均會導致鋼絲繩的疲勞性能降低，最壞的情況是鋼絲繩形成“鳥籠”狀或繩芯擠出等，鋼絲繩結構被破壞。特別是考慮到上提初始階段，提升機加速和鋼絲繩自重影響使鋼絲繩受力最大，且井筒下部受淋水和粉塵等影響更為嚴重。因此，筆者建議，對我國普遍使用的右旋繩槽單繩纏繞式提升機使用左同向撚鋼絲繩，以使每一提升循環出現上提前半程鋼絲繩處於外偏角或下放前半程處於內偏角纏繞時，卷筒以外的未纏繞鋼絲繩緊撚，到鋼絲繩處於卷筒中間位置時既不緊撚也不松撚，再到上提後半程鋼絲繩處於內偏角或下放後半程鋼絲繩處於外偏角時鋼絲繩松撚，使前半程的緊撚恢復到正常狀態。